WO1991009665A1 - Method and apparatus for treating exhaust gas by multi-stage irradiation with electron beam - Google Patents

Description

明細書

電子ビーム多段照射による排ガス処理法及び装置 技術分野

本発明は、 排ガスの処理法に係り、 特に排ガス中の硫黄酸化 物及び/又は窒素酸化物を除去するための電子ビーム多段照射 排ガス処理法及び装置に関する。

η景 術

従来、 硫黄酸化物及び/又は窒素酸化物を舍む排ガスを電子 ビーム照射室に導いて電子ビームを照射し ·、 電子ビ一ム照射前 及びノ又は照射後に、 ア ンモニアを添加し、 生成する副生物を 集塵機により集塵した後、 排ガスを大気中に放出する排ガス処 理法は開発されており、 さ らにその改善が研究されている。 ま た複数の電子ビーム照射装置を使用した排ガス処理法について も、 「電子ビーム多段照射排ガス脱硫脱硝法および装置」 （特 公昭 59— 40052号公報） に、 複数の照射ュニ ッ トを使用した方 法が提案されている。 こ の方法の記述では、 多段照射により、 なぜ脱硫脱硝率が向上するかについての理論的裏付けがない。 すなわち、 実装置として、 各電子ビーム発生装置間を、 どの程 度離せば良いのかの設計条件が不明である。 同様に、 「廃ガス に電子線を放射するこ とにより廃ガスから有害物質を選択また は同時分離する方法」 （特公昭 63— 501 142号公報） でも、 非照 射領域の効果については何もふれていない。

上記したように、 排ガス処理法において電子ビームを多段で 設置して処理する方法は、 従来公知であつたが、 電子ビームを 設置するための条件、 例えば非照射領域での滞留時間は後記の 如く数秒ないし数 10秒か'必要であろう と考へられていた。 従つ て、 反応器自体並びに加速器を舍めたこれらを遮蔽するコ ンク リー トの建て屋も、 極めて膨大なものとなることが想定されて いた。

そこで、 本発明は電子ビームを多段で設置する場合の条件を 設定し、 電子ビーム照射効率が良く 、 また、 排ガスの処理が経 済的に行える電子ビーム多段照射排ガス処理法及び装置の提供 を目的とする。

発明の開示

上記目的を達成するために、 本究明では、 電子ビーム発生装 置を多段に設置した電子ビーム照射室からなる排ガス処理用電 子ビーム多段照射装置において、 電子ビームの加速電圧が、

300kV〜3 , 000kV、 排ガスの流速が 30 mノ s以下、 処理対象排ガ ス温度が露点以上、 100 'C以下で、 各電子ビーム発生装置中心 間の距離を、 下記数式で計算される Xの距離以上設けることを 特徴とする排ガス処理用電子ビーム多段装置としたものである <

X = 2 α + t V

ただし X =電子ビーム発生装置中心間の距離（_m) ,

2 o =排ガス中での吸収線量の広がる距離（m) (排ガスの流 れ方向及び流れと逆の方向に対する距離であって、 実質的に電 子ビームによる反^が停止するまでの距離を指す。 この距離は. 電子ビーム発生装置の加速電圧、 排ガス温度、 及び排ガス組成 によ り変化する。 ） ，

V -排ガス流速 （ m Z s ) ,

t =非照射領域での排ガスの滞留時間 （秒） （0 . 01ないし 0 . 5 秒である） 。

前記数式において、 t は 0 . 1〜 0 . 5であって、 実質的に電子ビ ームによる反応が停止する所 （非照射領域） での滞留時間 （秒） を示す。 この数値は、 実施例に示す二段照射試験結果に基づく ものである。

また、 もう一つの目的を達成するために、 本発明では、 硫黄 酸化物及び/又は窒素酸化物を舍む排ガスを電子ビームを照射 し、 電子ビーム照射前及び Z又は照射後に、 ア ンモニアを添加 し、 生成する副生物を集塵機により集塵した後、 排ガスを大気 中に放出する排ガス処理法であって、 隣合せの電子ビーム照射 間の非照射領域での排ガスの滞留時間が 0 . 01〜0 . 5秒の間隔で、 排ガスを各照射領域に順次通過する こ とを特徴とする、 電子ビ ーム照射排ガス処理法と したものである。

前記数式において、 電子ビーム発生装置の加速電圧、 排ガス 温度、 および排ガス組成により、 吸収線量の広がる距離 （ ) が変化する。 表 1 に、 電圧と or、 および Xの目安になる数値を 示す。 なお表 1 の数値は、 排ガス温度 80て、 排ガス流速（V ) 10_m /sの場合である。

図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の電子ビーム多段照射装置 （片面照射） の概 略構成図である。

図 2 は、 本発明の電子ビーム多段照射装置 （両面照射） の概 赂構成図である。

図 3 は、 排ガスに対する非照射領域での滞留時間と除去され た N0_X濃度 （ ΔΝ0_χ) との関係を示すグラフである。

図 4 は、 排ガス中での吸収線量 （Mrad) と除まされた 濃 度 （ ΔΝ0_χ) との関係を示すグラフである。

図 5 は、 吸収線量 （Mrad) と脱硫率との関係を示すグラ フで ある。

図 6 は、 非照射時間と加速器間距離（X)との関係、 及び非照 射時間と必要な反応器の長さとの関係を示すグラ フである。

図 7 は、 非照射時間と反応器， 遮蔽設備の建設費との関係を 示すダラフである。

発明を実施するための最良の形態 本発明者らは、 非照射領域を電子ビ一ム照射容器に設ける方 法によ り窒素酸化物の除丟効率が向上する こ とを確認した。 電子ビーム照射領域での脱硝反応は、 下記化学式 1 で電子ビ —ム照射により生成した 0 0 , H0₂ ラ ジカルによ って化学式 2 から化学式 8 のよ う に進行する と考え られている。

0_{2 (} Η₂0 →0Η" , 0 , H0₂ " 式 1 ffi ) OH" , 0 " , Η0₂ はそれぞれのラ ジカルを示す。

NO十 OH" →HN0₂ 式 2

HN0₂ ÷ l/20₂ 十 NH₃ →N1 N0 式 3

NO十 0 " → 0∑ 式 4

N0₂ 十 1/2H₂0十 1/40 + NH ►NH₄N0₃ 式 5

N0 + H0_z " →HN0₃ 式 6

N0₂ + OH" →HN0₃ 式 Ί

HNOs +NH₃ →NH₄N0₃ 式 8 その中でも、 0 ラ ジカルの反応について注目する と、 電子ビ ーム照射領域では化学式 1 により 0 ラ ジカルが生成し、 化学式 9 によりオゾン生成反応も起き る。 こ こで生成したオゾンによ り、 化学式 10により NOが ₂に酸化され、 化学式 5 により硝酸 ァ ンモニゥムと して固定される。

0₂十 0" →0₃ 式 9

N0十 0₃→N0₂ t0₂ 式 10

N0₂ 卞 1/2 ₂0丁 1/40₂ 卞 NH₃ →NH₄N0₃ 式 5 しかしながら、 これらの反応と同時に、 化学式 11又は化学式 12に示すよう な 0 ラ ジカルを消費する反応も起きている。 こ こ で示した化学式 11又は化学式 12は本来の目的とする反応ではな く 、 0 ラ ジカ ルを無駄使いする反 、であるため好ま し く ないも のである。

NO 2 ÷0 " →N0÷0₂ 式 11

0₃ -0 " →20₂ 式 12 上記のよう に、 脱硝反応はラ ジカ ルに基づく 。 大別する と、 ラ ジカルにより Ν0_Χは酸化され NH₄N0₃となる反応 （式 6 , 式 7 →式 8 ) 及びラ ジカ ルにより生成した 0₂が酸化されて NH₄N0₃ となる反応 （式 4→式 5 ) がある。 また、 Ν'0₂が生成する反応 (式 9→式 1 0 ) もある こ とがわかった。

しかし、 これらの反応と同時に、 式 4及び式 10で生成した Νϋ₂ は、 式 11で示すよう に 0 ラ ジカルと反応して NOに戻るこ と、 及 び式 12で示すォゾン及び 0Hラジ力ルの消滅反応もあるこ とがわ かった。 これら式 11及び式 12のため、 照射し続けても、 除去さ れる N'0_X濃度は向上しないこ と、 及び照射ェネルギ一が無駄に 消費される こ とが明らかとなった。

式 5及び式 11は競争反応であるが、 式 11で示したラ ジカル主 体の反応の方が非常に早く 、 照射しつづける限り、 すなわちラ ジカルが新たに供給され続ける限り、 式 5 はほとんど進行しな い。

式 11及び式 12を進行させるかわり に、 式 5 を進行させる こ と ができれば、 最小の電子ビーム照射エネルギーで最大の効果が 得られる。 そのための手段は、 ラ ジカル発生の中止、 すなわち 照射中止である。 照射を中止する こ とにより、 式 11及び式 12か. 無く なり、 かわり に式 5 によ り脱硝が進行する。 式 5及び式 10 により、 実質的に N'0₂及び 0₃がガス中に存在しな く なつてから (未反応の NOはまだ存在する） 再び照射すれば式 1 から式 8 を 主体とする反応により効率的に脱硝される。

さて、 こ こでのポイ ン ト は、 式 5 により実質的に Νΰ ₂がガス 中より消えるまでの時間である。 通常、 式 5 で示すガス - ガス のサーマル反応は遅く、 数秒から数 10秒必要と考えられるが、 本発明者らは、 このプロセスにおいては、 予想に反して、 驚く べき事実を見いだした。 すな.わち、 電子ビーム照射で生成した 硝安、 硫安、 硫硝安が共存すると、 式 5 はこれらの生成物の存 在において、 信じられないほど速く 進行することがわかつた。 種々 のテス トの結果、 少な く とも 0.01秒電子ビームの照射を中 止するこ とにより、 式 5 は、 生成物の存在を利用して進行し、 実質的に Ν0₂がガス中より無く なることがわかった。 以上のよ うに、 従来技術では予測できなかった電子ビーム多段照射装置 にかかわる基本的設計条件がわかった。 また、 それは予測に反 して、 非照射領域での排ガスの滞留時間が 0.01〜0.5秒と非常 に短い場合でも良く、 経済的であることがわかった。

以下に 25万 kW石炭火力発電所の排ガス （90万 Nm³ h) を処理 する場合を例に、 実用機として望ま しい非照射時間を限定する。 非照射時間の下限は、 実施例 1 より 0.01秒となる。 さて、 図 6 に、 加速電圧が 800kV、 ガス流速 10m/s、 ガス温度 80 °Cの場 合の非照射時間と加速器間距離 （ X ) の関係図を示す。 非照射 時間が増加すると、 加速器間距離 （ X ) は長く なり、 非照射時 間が 0.01秒の時は 2.1mであるが、 0.5秒では 7 m、 0.6秒では 8 mと長く なる。 S0₂濃度 l,500ppm、 N0_X濃度 250ppmを舍有する 90 万 Nm³ノ hの排ガスを本電子ビーム照射法により脱硫率 96%、 脱 硝率 80%の性能で処理する場合、 800kV x 500mAの加速器 （400 kh') が 8台必要となる。

この 8台の加速器を配置するのに、 非照射時間を 0.1秒とし た場合、 反応器の長さは約 20m (2.1!(1 7間隔十5.311 となる < 5.3 mは反応器の排ガス入口部および出口部で必要な長さである < 非照射時間が 0.5秒の場合の反応器の長さは 54.3m ( 7 m X 7 間隔 + 5.3m) 、 0.6秒の場合は 61.3 m ( 8 m X 7間隔十 5.3m) と非常に長いものとなる （図 6参照） 。

さて、 承知のように電子ビームを照射すると、 電子ビームの エネルギーのわずかではあるが、 透過能力の高い X線が発生す る。 この X線を遮蔽するため、 加速器及び反応器をコ ンク リ ー ト建て屋内に配置する必要がある。 この場合の必要なコ ンク リ ー トの厚みは約 1 mである。 従って、 反応器が長く なると、 反 応器のコス ト自体も高く なるが、 その反応器を遮蔽するコ ンク リ一ト建て屋も膨大となる。

反応器およびコ ンク リー ト遮蔽建て屋の概略建設費を図 7 に 示す。 0.01秒の時は約 2億円であるが、 非照射時間が長く なる と、 その建設費は増大し、 0.5秒の時には 0.01秒の 2倍のコス トの約 4億円に、 0.6秒の時には約 4.4億円となる。

建設費が 0.01秒の時の 2倍以内であなる 0.5秒が実用機とし ての上限とした。

実施例

以下、 本発明を実施例により説明するが、 本発明はこれに限 定されるものではない。

図 1 および図 2 は、 電子ビーム多段照射装置の概略構成図で あり、 図 1 は片面照射、 図 2 は両面照射を示す。 図 1 および図 2 において、 1 は電子ビーム発生装置、 2 は電子ビーム照射室： 3 は照射領域を示し、 また、 4 は非照射領域を示す。

両図において、 電子ビーム発生装置中心間の距離は前記数式 で与えられる X (m)以上とし、 それによつて非照射領域での排 ガスの滞留時間は 0.01〜0.5秒保持できる。

実施例 1

ガス流量が 15Νΐ /ηΰη、 N0_Xの初期濃度が 400ppm、 S0₂の初期 濃度が l, 720ppmの排ガスに、 ア ンモニアガスを、 その濃度が 3, 460ρρπιとなるよう に添加後、 二段照射容器を使用して電子ビ ーム照射試験を実施した。 一段目の照射容器と二段目の照射容 器の間の非照射領域における滞留時間が 0秒 （一段照射試験） 、 0.005秒、 0.01秒、 0.05秒、 0.1秒、 0.4秒の 6条件となるよう に試験条件を設定した。 非照射領域における滞留時間の設定は、 一段目と二段目の照射容器間の配管の内径、 または長さを変化 させることにより行った。

これらの結果を一覧表にして、 表 2に示す。 こ こで、 滞留時 間とは、 非照射領域での滞留時間であり、 デルタ Ν0_Χ ( ΔΝ0_Χ) は除去された Ν0_Χ濃度を示す。 また、 非照射領域での排ガス の滞留時間を横軸にとり、 除去された Ν0_Χ濃度 （デルタ Ν0_Χ) を 縦軸にしたグラフとして図 3 に示す。 この結果では、 滞留時間 が 0秒 （一段照射試験結果） に比較して、 二段照射試験結果は 全ての滞留時間において、 除去された Ν0_Χ濃度が多く なり、 ま た、 二段照射では 0.005秒の場合を除いて、 非照射領域での滞 留時間の違いによる除去された Ν0_Χ濃度の差は見られなかつた。 なお、 この際の反応温度は約 80 であった。

排ガスによって吸収された線量と除去された Ν·0_Χの濃度との 閩係を図 4 のグラ フに示す。 このグラフから、 300ppmの Ν0_Χ (脱硝率 75% ) を除く ためには、 一段照射では 2.1Mradが必要 であるが、 二段照射では 1.3Mradでよいこ とがわかる。 したが つて、 二段照射する ことにより 0.8Mrad (38% ) 低下している。 脱硫結果について図 5 のグラ フに示す。 このグラフによれば、 一段照射及び二段照射いずれも適用できる こ とがわかる。

表 2

照射条件 一段照射 二 段 照 射

滞留時間 0秒 0.005 秒 0.01秒 0.05秒 0.1 秒 0.4 秒 線 量 厶 NO_x 厶 N0_X 厶 N0_X 厶 N0_X Δ ΝΟχ Δ ΝΟ_χ

(Mrad) ppm ppm ppm ppm ppm η π Η m "·

0.00 0 0 0 0 0 0

0.33 143 151 160 166 162 171

0.65 213 222 230 236 227 232

1.20 258 274 290 291 282 286

1.80 278 299 320 321 322 331

2.40 293 317 340 345

実施例 2

ガス流量が UOONm³ノ h、 N0_Xの初期濃度が約 350ppm、 S0₂の 初期濃度が l,600ppmの排ガスに、 ア ンモニアガスを、 その濃度 が 3,200ppmとなるように添加後、 一段照射容器及び二段照射容 器を使用して、 約 70ての温度で電子ビーム照射試験を実施した。 排ガスの非照射領域における滞留時間は 0.5秒であった。

試験結果によれば、 80% ( ΔΝ0_χ、 280_Ppm) の脱硝率を得る ためには、 二段照射では照射線量 1.5Mr_ad、 一段照射では前者 より も 33%高い 2.0Mradが必要であつた。 一段照射及び二段照 射による脱硫は同様で約 94%の脱硫率であつた。 以上の試験結 果を表 3 にまとめて示した。

表 3

産業上の利用可能性

以上のように、 本発明に係る排ガス処理法及び装置は、 前記 のような構成としたこ とにより、 照射エネルギーの効率的な利 用ができ、 最小の照射で最大の効果が得られるため、 排ガスの 処理を迅速に、 かつ経済的に行う のに適している。

Claims

請求の範囲

1. 電子ビーム多段照射による排ガス処理法において、 硫黄 酸化物及び 又は窒素酸化物を舍む排ガスを、 流速が 30 m/ s 以下、 温度が露点以上 100 'C以下で電子ビーム照射室に導き、 電子ビームの加速電圧力 300〜3,000kV で照射し、 電子ビーム 照射前及び/又は照射後にア ンモニアを添加し、 驊合せの電子 ビーム照射間の非照射領域での排ガスの滞留時間が 0.01〜0.5 秒の間隔で排ガスを各照射領域に順次通過させ、 生成する副生 物を集塵機により集塵した後に処理済排ガスを大気中に放出す る排ガスの処理法。

2. 電子ビーム発生装置を多段に設置した電子ビーム照射室 からなる排ガス処理用電子ビーム多段装置において、 電子ビー ムの加速電圧が 300〜3,000kV、 排ガスの流速が 30mノ s以下、 処理対象排ガス温度が露点以上、 100て以下で、 各電子ビーム 発生装置中心間の距離を、 下記数式

X = 2 α + t V

ただし X =電子ビーム発生装置中心間の距離（_m) ,

2 α =排ガス中での吸収線量の広がる距離（_m) (排ガスの流 れ方向及び流れと逆の方向に対する距離であって、 実質的に電 子ビームによる反応が停止するまでの距離を指す。 この距離は、 電子ビーム発生装置の加速電圧、 排ガス温度、 及び排ガス組成 により変化する。 ） ，

V =排ガス流速 （mZ s ) ,

t ==非照射領域での排ガスの滞留時間 （秒） （0.01ないし 0.5 秒である） ， で計算される X の距離以上設ける こ とを特徴とする排ガス処理 用電子ビーム多段装置。